石墨烯雜化物、納米管材料的制備及其聚合物復(fù)合材料熱性能與阻燃性能研究.pdf

1、作為二維納米材料的石墨烯具有很多優(yōu)異的性能，其與聚合物構(gòu)成的納米復(fù)合材料也應(yīng)用于材料科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。石墨烯及其衍生物能夠?qū)酆衔锏淖枞夹阅墚a(chǎn)生影響。本文在結(jié)合石墨烯與氧化鎳形成雜化物進(jìn)行阻燃研究的同時(shí)，也進(jìn)一步研究了石墨烯-氧化鎳雜化物與碳納米管，二氧化鈦納米管和氧化鋅納米管的復(fù)配協(xié)同效應(yīng)。將納米材料添加到環(huán)氧樹脂(EP)，聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)中研究其分散性，熱穩(wěn)定性和阻燃性能。相關(guān)研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.通過(guò)共沉淀法

2、制備了石墨烯-氧化鎳(GNS-NiO)雜化材料，通過(guò)化學(xué)改性法將碳納米管酸化，采用水熱法分別制備了二氧化鈦納米管(TNT)和氧化鋅納米管(ZNT)。然后通過(guò)溶液共混法將這些納米填料通過(guò)一定的比例添加到環(huán)氧樹脂基體當(dāng)中。作為對(duì)比，分別制備了相同含量不同配方的納米復(fù)合材料。通過(guò)XRD，拉曼光譜分析，透射電子顯微鏡，掃描電子顯微鏡對(duì)石墨烯雜化物與納米管材料的形貌和結(jié)構(gòu)，以及它們?cè)诨w中的分散性進(jìn)行表征，表明石墨烯表面的氧化鎳能夠提高石墨烯的剝

3、離度，防止團(tuán)聚，提高分散性。納米材料在聚合物中的良好的分散性以及較強(qiáng)的界面相互作用能夠提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，也能夠提高在高溫下或火災(zāi)場(chǎng)景中的安全性能。添加單一的納米組分如只添加石墨烯及其雜化物或納米管材料都有助于提高材料的熱穩(wěn)定性，而對(duì)于協(xié)效復(fù)配體系，納米復(fù)合的GNS-NiO/CNT/EP材料的最大熱分解溫度為379℃，這比添加單一的GNS-NiO和CNT得到的數(shù)值都大，說(shuō)明石墨烯-氧化鎳雜化物和碳納米管二者之間有一定的協(xié)同效應(yīng)，同時(shí)

4、復(fù)合材料的最大熱分解速率的降低也說(shuō)明了這一點(diǎn)。相對(duì)于其他的填料，ZNT的添加能夠顯著提高殘?zhí)苛浚瑥?fù)配體系的殘?zhí)苛肯啾扔诩兊腅P提高了12％。Cone的結(jié)果表明添加的GNS-NiO使阻燃體系的PHRR降低了40％，THR降低了29％。這是因?yàn)檠趸嚹軌虼呋商?，阻礙材料的熱釋放。而同時(shí)添加GNS-NiO和TNT的體系卻使材料的熱釋放峰值降低了61％，使材料的THR降低了41％。這表明在EP基體中，GNS-NiO與TNT起到了協(xié)效作用，能夠

5、獲得比添加單一的納米材料更好的效果。
　　2.用溶液共混法制備了PP納米復(fù)合材料，用SEM斷面掃描，研究了其分散性，熱重分析儀和錐形量熱儀分別分析了PP納米復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和阻燃性能。可以發(fā)現(xiàn)，納米填料在PP體系中的分散狀況良好，氧化鎳的添加能夠有效防止石墨烯團(tuán)聚。納米填料與PP之間也有一定的界面相互作用。熱重分析結(jié)果可知，GNS-NiO與CNT之間存在著一定的協(xié)效作用，復(fù)配協(xié)效體系的效果比分別添加的效果更為突出。而對(duì)于GNS-

6、NiO/TNT/PP體系和GNS-NiO/ZNT/PP復(fù)合體系，其協(xié)同作用效果不太明顯，但都從一個(gè)或幾個(gè)方面提高了復(fù)合物體系的熱穩(wěn)定性。錐形量熱結(jié)果可知，無(wú)論是單獨(dú)添加石墨烯雜化物或納米管材料還是雜化物與納米管材料的復(fù)配協(xié)效體系，都能夠降低PP的熱釋放速率，提高其火安全性，而協(xié)效體系能夠取得更好的效果。表明納米材料之間的協(xié)同效應(yīng)能夠有效改善聚合物的阻燃性能，納米阻燃協(xié)效體系的應(yīng)用能夠拓寬聚合物阻燃的發(fā)展方向。
　　3.通過(guò)溶液共混

7、法制備了PS納米復(fù)合材料，采用SEM得到了了PS在液氮中脆斷的斷面圖像，研究了石墨烯-氧化鎳雜化物以及納米管材料在復(fù)合材料中的分散性，結(jié)果表明，石墨烯-氧化鎳雜化物在PS中的分散狀況良好，納米管材料在PS中也有良好的分散性，且斷面處的納米管在斷裂時(shí)表面的不規(guī)則突起表明在復(fù)合材料脆斷時(shí)，納米管材料能夠起到增強(qiáng)聚合物的作用，阻礙斷裂的發(fā)生。而協(xié)效的GNS-NiO與納米管材料的共混不影響其分散性。碳納米管的添加能提高PS基體的熱穩(wěn)定性，而加入

8、TNT的結(jié)果與CNT類似，但提升效果不明顯，從殘?zhí)苛康慕嵌?，可以看出加入TNT能夠使殘?zhí)苛吭黾樱f(shuō)明TNT對(duì)PS具有催化成炭的作用。而加入的ZNT使PS復(fù)合物的初始分解溫度降低了26℃，這可能是由于ZNT能夠催化聚苯乙烯提前降解，其殘?zhí)苛恳脖燃兊腜S要高，且最大質(zhì)量損失速率相比于純的PS也有所降低。而復(fù)配的GNS-NiO/ZNT體系相比于單獨(dú)添加ZNT的復(fù)合材料的效果略有提升，殘?zhí)苛刻嵘葹轱@著。相比于添加單一的納米管材料，協(xié)效體系的熱